CN106059437A - 磁链基/三次波组合优化无刷直流电机位置连续检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁链基/三次波组合优化无刷直流电机位置连续检测方法，综合利用转子磁链基波和三次谐波来进行无位置传感器无刷直流电机的控制，利用转子基波磁链信号提供转子的位置范围，利用三次谐波进行逻辑运算来精确定位，解决了三次谐波需要其他方法配合检测的问题，对三次谐波的逻辑运算实现了三次谐波检测连续转子位置信号，准确地检测到了电机所需连续转子位置信号。

Description

磁链基/三次波组合优化无刷直流电机位置连续检测方法

技术领域

本发明属于电机控制领域，特别涉及一种磁链基/三次波组合优化无刷直流电机位置连续检测方法。

背景技术

无刷直流电机具有结构简单、出力大和效率高等特点。相比于物理位置传感器如旋变、霍尔位置传感器等无位置传感器位置检测方式不仅减小了电机体积，也降低了控制系统的复杂性，增加了稳定性。对于无位置传感器的无刷直流电机，电机转子位置检测的准确度直接影响了控制性能。特别是电机高速运行时电流滞后反电势较多，往往需要超前导通控制，得到连续的位置信号更有利于控制。

经典的反电势过零法在重载或绕组电气时间常数大等情况下，续流二极管导通角很大，此时通过检测每相反电势过零点的方法并不适合无位置传感器运行。转子磁链基波观测法不受二极管导通角和逆变器PWM斩波的影响，对滤波器要求低，有更宽的调速范围，但转子磁链基波信号由于受电机电抗值的变化会产生一定误差。转子磁链三次谐波过零检测法与电抗值无关，不受其影响，转子位置检测精度高，但过零检测法不能获得连续的转子位置信号，且由于转子三次谐波周期为电机旋转周期的三分之一，需要其他方法进行配合检测。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种磁链基/三次波组合优化无刷直流电机位置连续检测方法，得到准确可靠的连续转子位置信号。在检测转子位置的过程中，有效结合了电机转子磁链基波和三次谐波信号，准确检测连续的电机转子位置，提高电机的运行性能。

技术方案

一种磁链基/三次波组合优化无刷直流电机位置连续检测方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在电机完成起动，进入运行阶段后计算出反电势三次谐波：

u_a+u_b+u_c＝e_a+e_b+e_c＝u₃+u_h (1)

u_h为高于三次的高次谐波分量，其占比例很小忽略不计，然后对反电势三次谐波进行积分，得到转子磁链三次谐波：

ψ_3f＝∫u₃dt (2)

其中，u_a、u_b、u_c为电机三相相电压；

步骤2、对得到的电机转子磁链三次谐波信号进行逻辑运算：不断比较前后两次计算得到的ψ_3f值，若后一次的值大于前一次则记一个变量P值为1，后一次小于前一次则将P记为0，当P由1变为0时记当前ψ_3f值为K，按照ψ_f3＝ψ_3f/K进行幅值缩放使ψ_3f幅值为1记为ψ_f3；按照下述公式进行处理得到三次谐波逻辑运算中间过程波形信号：

F₁＝arcsin(-ψ_f3)·60/π+30 (3)

然后，不断比较前后两次计算得到的F₁，若后一次的F₁小于前一次F₁，则给后一次的F₁取反再加上120，得到以120°电角度为周期的连续转子位置信号θ₁；

步骤3：对采样得到的电机三相电压U_a、U_b和U_c以及三相电流I_a、I_b及I_c进行坐标变换，将电压和电流从a-b-c三相坐标系下转换为α-β两相静止坐标系下的电压U_α、U_β和电流I_α、I_β，再计算电机绕组中的定子磁链矢量ψ_s在α-β两相静止坐标系下的分量ψ_sα、ψ_sβ，R为电机相电阻：计算公式为：

${\mathrm{\ψ}}_s=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\∫(U_{\mathrm{\α}}-R{I}_{\mathrm{\α}})dt\\ \∫(U_{\mathrm{\β}}-R{I}_{\mathrm{\β}})dt\end{array}\right]---\left(4\right)$

定子磁链矢量Ψ_s由两部分构成，一部分是转子磁体励磁产生Ψ_f，另一部分是电枢反应L_sI_α、L_sI_β，电感L_s是电机的常数；

计算转子磁链在α-β两相静止坐标系下的分量ψ_fα、ψ_fβ：

${\mathrm{\ψ}}_f=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{f\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{f\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}-L_s{I}_{\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}-L_s{I}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(5\right)$

转子位置θ_r即d轴与a轴的夹角，由下式判断：

${\mathrm{\Ψ}}_f=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Ψ}}_{f\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\Ψ}}_{f\mathrm{\β}}\end{array}\right]={\mathrm{\Ψ}}_f\left[\begin{array}{c}cos{\mathrm{\θ}}_r\\ \sin {\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right]---\left(6\right)$

${\mathrm{\θ}}_r=\arctan \frac{{\mathrm{\Ψ}}_{f\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\Ψ}}_{f\mathrm{\α}}}---\left(7\right)$

步骤4、利用电机转子磁链三次谐波和基波进行位置检测：当0＜θ_r＜120时，令θ＝θ₁，当120＜θ_r＜240时，令θ＝θ₁+120，当240＜θ_r＜360时，令θ＝θ₁+240，得到不受电机电抗变化影响的全周期连续转子位置信号θ。

有益效果

本发明提出的一种磁链基/三次波组合优化无刷直流电机位置连续检测方法，利用电机的相电压、相电流信号，通过计算得到电机转子磁链基波和三次谐波信号，如图4通过对电机转子磁链三次谐波进行一定的逻辑运算，在电机旋转360°电角度完整周期中得到3段120°电角度为周期的转子位置信号θ₁；如图5使用转子磁链基波信号对转子位置角度进行估算。如图6以基波信号得到的大致转子位置信号θ_r为根据，当0＜θ_r＜120时，令θ＝θ₁，当120＜θ_r＜240时，令θ＝θ₁+120，当240＜θ_r＜360时，令θ＝θ₁+240。从而可以得到不受电机电抗变化影响的全周期360°电角度连续转子位置信号。其中在120°、240°和360°(0°)这几个位置由于基波磁链由电抗变化引起的位置信号误差所以会带来相应的误差，但这几个位置至少与电机换向的关键位置相差30°，所以对无刷直流电机的控制甚至一定的超前导通控制不造成影响。

本发明综合利用转子磁链基波和三次谐波来进行无位置传感器无刷直流电机的控制，利用转子基波磁链信号提供转子的位置范围，利用三次谐波进行逻辑运算来精确定位，解决了三次谐波需要其他方法配合检测的问题，对三次谐波的逻辑运算实现了三次谐波检测连续转子位置信号，准确地检测到了电机所需连续转子位置信号。

附图说明

图1是本发明所使用方法的流程图。

图2是本发明所使用的电机星形连接绕线方式和电机相反电势及相电流信号。

图3是电机坐标变换矢量图。

图4是转子磁链三次谐波波形及其逻辑变换过程及结果。

图5是两相静止坐标系下转子磁链基波波形和得到的转子位置角度。

图6是本发明使用的信号波形以及通过电机转子磁链基波和三次谐波配合得到的电机连续转子位置信号。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明解决其技术问题通过以下技术方案实现的：

1、磁链基/三次波组合优化无刷直流电机位置连续检测方法。其特征在于：首先，电机完成起动，进入运行阶段。根据电机三相电压计算出反电势三次谐波，对反电势三次谐波进行积分，得到转子磁链三次谐波。对电机转子磁链三次谐波进行一定的逻辑运算：不断比较前后两次计算得到的ψ_3f值，若后一次的值大于前一次则记一个变量P值为1，后一次小于前一次则将P记为0，当P由1变为0时记当前ψ_3f值为K，按照ψ_f3＝ψ_3f/K进行幅值缩放使ψ_3f幅值为1记为ψ_f3，然后按照公式F₁＝arcsin(-ψ_f3)·60/π+30得到信号F₁。然后，不断比较前后两次计算得到的F₁，若后一次的F₁小于前一次F₁，则给后一次的F₁取反再加上120，按照这一方法即得到3段以120°电角度为周期的连续转子位置信号θ₁。

2、磁链基/三次波组合优化无刷直流电机位置连续检测方法。其特征在于：通过传感器分别检测电机三相电压和三相电流，并进行3-2坐标变换将三相电压、电流转换为两相静止坐标系下的电压和电流，进一步计算得到电机转子磁链基波在α轴和β轴方向的分量ψ_fα、ψ_fβ，则得到受电机电抗变化影响的连续转子位置信号

3、磁链基/三次波组合优化无刷直流电机位置连续检测方法。其特征在于：使用转子磁链基波信号得到的连续位置信号配合三次谐波信号通过逻辑运算得到的转子位置信号，以基波信号得到的大致转子位置信号θ_r为根据，当0＜θ_r＜120时，令θ＝θ₁，当120＜θ_r＜240时，令θ＝θ₁+120，当240＜θ_r＜360时，令θ＝θ₁+240。从而可以得到不受电机电抗变化影响的全周期360°电角度连续转子位置信号。其中在120°、240°和360°(0°)这几个位置由于基波磁链由电抗变化引起的位置信号误差所以会带来相应的误差，但这几个位置至少与电机换向的关键位置相差30°，所以对无刷直流电机的控制甚至一定的超前导通控制不造成影响。

根据本发明的实施实例，如图1、图2所示，电机采用绕组星型连接三相六状态的控制方式，提供了一种应用于无位置传感器无刷直流电机连续位置检测的新方法。本发明包括：由硬件电路得到转子磁链基波和三次谐波信号，由软件计算得到准确地转子位置角。

步骤一：引出电机绕组中性点，通过硬件电路计算电机反电势三次谐波，计算公式如下：

u_a+u_b+u_c＝e_a+e_b+e_c＝u₃+u_h (1)

其中，u_a、u_b、u_c为电机三相相电压，u_h为高于三次的高次谐波分量，其占比例很小忽略不计。e_a、e_b、e_c为电机三相反电势。对反电势三次谐波进行积分，得到转子磁链三次谐波ψ_3f：

ψ_3f＝∫u₃dt (2)

步骤二：如图4所示对得到的电机转子磁链三次谐波信号进行逻辑运算。不断比较前后两次计算得到的ψ_3f值，若后一次的值大于前一次则记一个变量P值为1，后一次小于前一次则将P记为0，当P由1变为0时记当前ψ_3f值为K，按照ψ_f3＝ψ_3f/K进行幅值缩放使ψ_3f幅值为1记为ψ_f3，按照公式3进行处理得到如图4中所示的三次谐波值逻辑运算中间过程波形信号，计算公式如下：

F₁＝arcsin(-ψ_f3)·60/π+30 (3)

然后，不断比较前后两次计算得到的F₁，若后一次的F₁小于前一次F₁，则给后一次的F₁取反再加上120，得到图4中三次谐波逻辑运算结果的波形，即得到以120°电角度为周期的连续转子位置信号θ₁。

步骤三：通过传感器检测电机三相电压U_a、U_b和U_c以及三相电流I_a、I_b及I_c。对三相电压和电流进行坐标变换，如图3所示。将电压和电流从a-b-c三相坐标系下转换为α-β两相静止坐标系下的电压U_α、U_β和电流I_α、I_β。通过硬件电路计算电机绕组中的定子磁链矢量Ψ_s在α-β两相静止坐标系下的分量ψ_sα、ψ_sβ，R为电机相电阻，计算公式为：

${\mathrm{\ψ}}_s=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\∫(U_{\mathrm{\α}}-R{I}_{\mathrm{\α}})dt\\ \∫(U_{\mathrm{\β}}-R{I}_{\mathrm{\β}})dt\end{array}\right]---\left(4\right)$

定子磁链矢量Ψ_s由两部分构成，一部分是转子磁体励磁产生Ψ_f，另一部分是电枢反应L_sI_α、L_sI_β。这里，电感L_s是常数，由电机决定。通过硬件电路计算转子磁链在α-β两相静止坐标系下的分量ψ_fα、ψ_fβ，如图5所示。计算公式为：

${\mathrm{\ψ}}_f=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{f\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{f\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}-L_s{I}_{\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}-L_s{I}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(5\right)$

转子位置θ_r即d轴与a轴的夹角，如图3所示。可由下式判断：

${\mathrm{\Ψ}}_f=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Ψ}}_{f\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\Ψ}}_{f\mathrm{\β}}\end{array}\right]={\mathrm{\Ψ}}_f\left[\begin{array}{c}cos{\mathrm{\θ}}_r\\ \sin {\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right]$

如图3、5所示可得转子位置角度：

${\mathrm{\θ}}_r=\arctan \frac{{\mathrm{\Ψ}}_{f\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\Ψ}}_{f\mathrm{\α}}}---\left(7\right)$

步骤四：如图6所示，综合利用电机转子磁链三次谐波和基波进行位置检测，如图6以基波信号得到的大致转子位置信号θ_r为根据，当0＜θ_r＜120时，令θ＝θ₁，当120＜θ_r＜240时，令θ＝θ₁+120，当240＜θ_r＜360时，令θ＝θ₁+240，从而可以得到不受电机电抗变化影响的全周期连续转子位置信号θ。其中在120°、240°和360°(0°)这几个位置由于基波磁链由电抗变化引起的位置信号误差所以会带来相应的误差，但这几个位置至少与电机换向的关键位置相差30°，所以对无刷直流电机的控制甚至一定的超前导通控制不造成影响。

由图6中得到的电机连续转子位置信号可知，使用本发明的方法可以准确地得到所需连续转子位置信息，通过对三次谐波信号进行逻辑运算解决了三次谐波过零检测不能检测连续转子位置信号的问题，利用转子磁链基波解决了三次谐波检测周期只有电机旋转周期的三分之一的问题，从而准确的控制开关管的开关与电机的换相，使得无刷直流电机在无位置传感器的情况下能够具有非常好的运行性能。

Claims (1)

1.一种磁链基/三次波组合优化无刷直流电机位置连续检测方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在电机完成起动，进入运行阶段后计算出反电势三次谐波：

u_a+u_b+u_c＝e_a+e_b+e_c＝u₃+u_h (1)

u_h为高于三次的高次谐波分量，其占比例很小忽略不计，然后对反电势三次谐波进行积分，得到转子磁链三次谐波：

ψ_3f＝∫u₃dt (2)

其中，u_a、u_b、u_c为电机三相相电压；

步骤2、对得到的电机转子磁链三次谐波信号进行逻辑运算：不断比较前后两次计算得到的ψ_3f值，若后一次的值大于前一次则记一个变量P值为1，后一次小于前一次则将P记为0，当P由1变为0时记当前ψ_3f值为K，按照ψ_f3＝ψ_3f/K进行幅值缩放使ψ_3f幅值为1记为ψ_f3；按照下述公式进行处理得到三次谐波逻辑运算中间过程波形信号：

F₁＝arcsin(-ψ_f3)·60/π+30 (3)

然后，不断比较前后两次计算得到的F₁，若后一次的F₁小于前一次F₁，则给后一次的F₁取反再加上120，得到以120°电角度为周期的连续转子位置信号θ₁；

步骤3：对采样得到的电机三相电压U_a、U_b和U_c以及三相电流I_a、I_b及I_c进行坐标变换，将电压和电流从a-b-c三相坐标系下转换为α-β两相静止坐标系下的电压U_α、U_β和电流I_α、I_β，再计算电机绕组中的定子磁链矢量ψ_s在α-β两相静止坐标系下的分量ψ_sα、ψ_sβ，R为电机相电阻：计算公式为：

${\mathrm{\ψ}}_s=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\∫(U_{\mathrm{\α}}-R{I}_{\mathrm{\α}})dt\\ \∫(U_{\mathrm{\β}}-R{I}_{\mathrm{\β}})dt\end{array}\right]---\left(4\right)$

定子磁链矢量Ψ_s由两部分构成，一部分是转子磁体励磁产生Ψ_f，另一部分是电枢反应L_sI_α、L_sI_β，电感L_s是电机的常数；

计算转子磁链在α-β两相静止坐标系下的分量ψ_fα、ψ_fβ：

${\mathrm{\ψ}}_f=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{f\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{f\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}-L_s{I}_{\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}-L_s{I}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(5\right)$

转子位置θ_r即d轴与a轴的夹角，由下式判断：

${\mathrm{\Ψ}}_f=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Ψ}}_{f\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\Ψ}}_{f\mathrm{\β}}\end{array}\right]={\mathrm{\Ψ}}_f\left[\begin{array}{c}cos{\mathrm{\θ}}_r\\ \sin {\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right]---\left(6\right)$

${\mathrm{\θ}}_r=\arctan \frac{{\mathrm{\Ψ}}_{f\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\Ψ}}_{f\mathrm{\α}}}---\left(7\right)$

步骤4、利用电机转子磁链三次谐波和基波进行位置检测：当0＜θ_r＜120时，令θ＝θ₁，当120＜θ_r＜240时，令θ＝θ₁+120，当240＜θ_r＜360时，令θ＝θ₁+240，得到不受电机电抗变化影响的全周期连续转子位置信号θ。